劉 濤, 李照海, 羌 寧, 徐 斌, 施鼎方, 徐竟成

(同濟(jì)大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 環(huán)境科學(xué)與工程國(guó)家實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，上海 200092)

大氣污染控制工程信息化實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的構(gòu)建

劉 濤, 李照海, 羌 寧, 徐 斌, 施鼎方, 徐竟成

(同濟(jì)大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 環(huán)境科學(xué)與工程國(guó)家實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，上海 200092)

針對(duì)在大氣污染控制工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中課前預(yù)習(xí)不足、實(shí)驗(yàn)條件難于控制、課后開放程度不夠等問題，采用計(jì)算機(jī)、多媒體、網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)構(gòu)建以課前在校園網(wǎng)上預(yù)習(xí)3D虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，課上數(shù)字化監(jiān)控實(shí)驗(yàn)過程和課后網(wǎng)上在線實(shí)驗(yàn)的開放為核心的三位一體的大氣污染控制工程信息化實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。實(shí)現(xiàn)了課前沉浸式預(yù)習(xí)、課上精確監(jiān)控、課后遠(yuǎn)程開放，充分共享實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，培養(yǎng)了學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。

大氣污染控制； 信息化； 3D虛擬仿真； 網(wǎng)絡(luò)在線實(shí)驗(yàn)

0 引 言

根據(jù)教育部《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃(2011-2020)》[1]，高等教育信息化的主要任務(wù)是：“進(jìn)一步加強(qiáng)基礎(chǔ)設(shè)施和信息資源建設(shè)。重點(diǎn)推進(jìn)信息技術(shù)與高等教育的深度融合，促進(jìn)教育內(nèi)容，教學(xué)手段和方法現(xiàn)代化，促進(jìn)高等教育質(zhì)量全面提高[2-3]。”在大氣污染控制工程信息化實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革中，使大氣污染控制工程理論知識(shí)與3D虛擬仿真技術(shù)、數(shù)字化技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合，建立了多維度立體化的高效教學(xué)空間，使大氣污染控制工程實(shí)驗(yàn)的課前預(yù)習(xí)、課上實(shí)驗(yàn)教學(xué)監(jiān)控[4]和課后開放實(shí)踐教學(xué)無縫對(duì)接。通過互聯(lián)網(wǎng)共享大氣污染控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，為師生提供開放型的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境，使得實(shí)驗(yàn)教學(xué)在內(nèi)容、時(shí)間及空間等方面得到多維化延伸和融合[5-6]。

1 信息化實(shí)驗(yàn)教學(xué)的應(yīng)用

構(gòu)建以課前在校園網(wǎng)上預(yù)習(xí)3D虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，課上數(shù)字化監(jiān)控實(shí)驗(yàn)過程和課后網(wǎng)上在線實(shí)驗(yàn)的開放式三位一體的信息化大氣污染控制工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。下面以有機(jī)污染氣體活性炭吸附與脫附實(shí)驗(yàn)為例[7-8]，介紹該信息化實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的構(gòu)建。

1.1 課前3D虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

教師根據(jù)有機(jī)污染氣體活性炭吸附與脫附實(shí)驗(yàn)制作顆?；钚蕴课絻艋宜嵋阴?D虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件并發(fā)布到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心網(wǎng)站上。學(xué)生課前通過校園網(wǎng)上進(jìn)入3D虛擬實(shí)驗(yàn)室并在虛擬的場(chǎng)景下按照該實(shí)驗(yàn)步驟完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)并網(wǎng)上遞交實(shí)驗(yàn)報(bào)告。教師通過仿真實(shí)驗(yàn)室管理平臺(tái)進(jìn)入教師考評(píng)系統(tǒng)來查看每位學(xué)生操作記錄和點(diǎn)評(píng)學(xué)生預(yù)習(xí)的情況，如圖1所示。

1.2 課上數(shù)字化監(jiān)控實(shí)驗(yàn)

在有機(jī)污染氣體活性炭吸附與脫附實(shí)驗(yàn)中有8套實(shí)驗(yàn)裝置，每次實(shí)驗(yàn)可以供24名學(xué)生分成8組每組3人進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。發(fā)現(xiàn)該實(shí)驗(yàn)在脫附環(huán)節(jié)時(shí)，因?qū)W生手動(dòng)控制脫附溫度，造成脫附溫度波動(dòng)比較大，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果不理想，無法繪制穿透曲線。故在計(jì)算機(jī)上編程溫度精確軟件控制實(shí)驗(yàn)裝置的溫控儀實(shí)現(xiàn)一臺(tái)電腦可以控制8臺(tái)實(shí)驗(yàn)裝置的溫度并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，輔助學(xué)生了解實(shí)驗(yàn)過程中數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的重要性，便于大家對(duì)吸附與脫附過程有更深入的了解。實(shí)驗(yàn)過程如圖2所示。

1.3 課后開放網(wǎng)絡(luò)在線實(shí)驗(yàn)

等比例放縮了揮發(fā)性有機(jī)氣體循環(huán)脫附分流回收吸附凈化實(shí)際工程[9-10]，建設(shè)了有機(jī)污染氣體活性炭吸附與脫附的在線實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含網(wǎng)上遠(yuǎn)程控制模塊、線上虛擬操作模塊、實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場(chǎng)操作模塊、在線監(jiān)測(cè)與監(jiān)控模塊和線上教師幫助模塊。學(xué)生根據(jù)在線工程化實(shí)驗(yàn)裝置，自主設(shè)計(jì)、確定實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，自主選擇實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)，通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)過程，在線監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證自己的實(shí)驗(yàn)設(shè)想。同時(shí)在實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生通過線上教師幫助系統(tǒng)與教師互動(dòng)來解決實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)問題。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的控制圖和實(shí)物圖如圖3所示。

圖3 揮發(fā)性有機(jī)氣體循環(huán)脫附分流回收吸附凈化在線實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

2 信息化實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的意義

通過利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、多媒體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等信息加工處理傳播技術(shù)，將大氣污染控制工程實(shí)驗(yàn)資源數(shù)字化，然后通過互聯(lián)網(wǎng)和計(jì)算機(jī)構(gòu)建了課前網(wǎng)絡(luò)預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)課堂實(shí)時(shí)監(jiān)控和課后在線開放創(chuàng)新的三位一體的一種新興的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有多方面的非常突出的優(yōu)勢(shì)，利用信息化可以解決目前實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的很多問題[11-12]。

2.1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源開放與共享

信息化實(shí)驗(yàn)教學(xué)的最大優(yōu)點(diǎn)之一就是可以真正實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)資源共享。是因?yàn)樾畔⒒髿馕廴究刂乒こ虒?shí)驗(yàn)通過服務(wù)器發(fā)布在Internet，任何一個(gè)學(xué)生，在任何時(shí)候，任何一個(gè)有網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境，都可以通過計(jì)算機(jī)調(diào)用大氣污染控制工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件和其他資源，從而達(dá)到該實(shí)驗(yàn)教學(xué)不受課堂、課時(shí)和經(jīng)費(fèi)的任何限制，真正實(shí)現(xiàn)教學(xué)資源的開放與共享。如把揮發(fā)性有機(jī)氣體吸附與脫附的3D虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的軟件共享到Internet，學(xué)生課前在校園網(wǎng)中提前學(xué)習(xí)理解和掌握該實(shí)驗(yàn)的目的和原理，演練實(shí)驗(yàn)步驟，帶著問題在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證，從而解決了僅3～4學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)無法達(dá)到充分訓(xùn)練動(dòng)手、觀察和思考等實(shí)驗(yàn)技能，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的趣味和效果。

2.2 工程實(shí)驗(yàn)條件精準(zhǔn)控制

信息化大氣污染控制工程實(shí)驗(yàn)不僅在教學(xué)資源Internet網(wǎng)上開放和共享得到充分體現(xiàn)，也能利用計(jì)算機(jī)達(dá)到軟硬件相結(jié)合精準(zhǔn)控制實(shí)驗(yàn)條件，使工程實(shí)驗(yàn)課中得到的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，加深學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象來理解實(shí)驗(yàn)原理，利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)研究的能力。如活性炭吸附與脫附實(shí)驗(yàn)在信息化改造前，因每組學(xué)生手動(dòng)控制脫附溫度使各組間的脫附溫度差別很大，所以各組間的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)差別很大，甚至有些組無法繪制脫附的穿透線，影響實(shí)驗(yàn)效果；現(xiàn)在利用計(jì)算機(jī)統(tǒng)一控制8組脫附溫度，使脫附溫度恒定在160 ℃，上下浮動(dòng)溫度在1 ℃的范圍內(nèi)，確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，提高實(shí)驗(yàn)效果。

2.3 緊密結(jié)合工程實(shí)踐

大氣污染控制工程實(shí)驗(yàn)每學(xué)年僅有10幾學(xué)時(shí),無法有效培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力。但信息化實(shí)驗(yàn)教學(xué)通過網(wǎng)絡(luò)中可以把設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和工程實(shí)驗(yàn)結(jié)合在一起，避免工程設(shè)備難保養(yǎng)、高消耗、高耗能以及危險(xiǎn)性等問題，促使實(shí)驗(yàn)原理與工程實(shí)踐完美統(tǒng)一，解決現(xiàn)有理論學(xué)習(xí)與生產(chǎn)實(shí)踐相脫節(jié)的現(xiàn)實(shí)問題。例如，揮發(fā)性有機(jī)氣體活性炭吸附與脫附在線實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，把工程實(shí)際操作引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)當(dāng)中，學(xué)生利用自己的課余時(shí)間虛實(shí)結(jié)合的場(chǎng)景下完成實(shí)驗(yàn)，師生在線上互動(dòng)，有助于學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力的提高[13]?，F(xiàn)已經(jīng)完成的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有“氣態(tài)揮發(fā)性有機(jī)物污染控制實(shí)驗(yàn)研究”“活性碳流化床吸附揮發(fā)有機(jī)物”“合成革混合有機(jī)廢氣一步法吸附回收研究”“氣體循環(huán)再生干式吸附凈化工藝裝備試驗(yàn)裝置開發(fā)”等。其中“合成革混合有機(jī)廢氣一步法吸附回收研究”獲國(guó)家級(jí)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

3 結(jié) 語

在一個(gè)全時(shí)空、開放式、可互動(dòng)的大氣污染控制工程信息化實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境中學(xué)生不僅可以通過網(wǎng)絡(luò)提前預(yù)習(xí)相關(guān)實(shí)驗(yàn)并發(fā)現(xiàn)問題，帶著問題去實(shí)驗(yàn)并解決，也可以根據(jù)在線工程化實(shí)驗(yàn)裝置，自主設(shè)計(jì)、確定實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，自主選擇實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，在工程實(shí)踐中驗(yàn)證自己的工程設(shè)想[14]。這樣的環(huán)境為學(xué)生提供了個(gè)性化發(fā)展的條件和空間，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，有利于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，形成了教與學(xué)之間的良性互動(dòng)[15]。

[1] 中華人民共和國(guó)教育部.教育部關(guān)于印發(fā)《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃(2011-2020年)》的通知[EB/OL].[2012年3月13日].

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Construction of Informatization Experimental Teaching Mode in Air Pollution Control Engineering

LIU Tao, LI Zhaohai, QIANG Ning, XU Bin, SHI Dingfang, XU Jingcheng

(College of Environmental Science and Engineering, Experimental Teaching Demonstration Center of Environmental Science and Engineering， Tongji University， Shanghai 200092， China)

The technologies of computer, multimedia, network communication and so on are used to solve the problems of the lack of preview before class, difficult control of experimental conditions, the diversity of activities after class in the experimental teaching of air pollution control. The combination of previewing 3D virtual simulation experiment on campus network before class, digital monitoring experiment process in the class and experimenting online after classis are used to build up as the core of three-in-one air pollution control engineering experiment informatization teaching mode. Thus, the immersion preview before class, accurate monitoring in the class and remote open after class are realized, experimental teaching resources are fully shared. The students' learning enthusiasm is improved, students’ practical ability and innovation ability are cultivated at the same time.

air pollution control； information technology； 3D virtual simulation； online experiment

2016-07-26

劉 濤(1976-)，男，山東棗莊人，碩士，高級(jí)工程師，主要從事大氣污染控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)及揮發(fā)性有機(jī)物減排工作。

Tel.：13918717147；E-mail：liutao@#edu.cn

X 51；G 642.0

A

1006-7167(2017)08-0234-03